CN104536510A - 一种差分电压转电流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分电压转电流电路，该电路包括：第一电压跟随器，用于接收输入电压Vin1并缓冲；第二电压跟随器，用于接收输入电压Vin2并缓冲；第一V-I转换电阻单元，包括电阻R1，将电压转换成电流；第二V-I转换电阻单元，包括电阻R2，将电压转换成电流；第一电流镜单元，用于按比例复制来自第一电压跟随器的支路电流，产生第一输出电流；第二电流镜单元，用于按比例复制来自第二电压跟随器的支路电流，产生第二输出电流；第一、第二输出电流合并后形成电路输出电流。本发明采用电阻作为电压电流转换结构，具有线性度高的特点，采用FVF结构作为输入级，能够探测较小的差分电压产生大的输出电流，响应速度快，精度高。

Description

一种差分电压转电流电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，更具体地，涉及一种差分电压转电流电路。

背景技术

在集成电路设计中，经常要将一个电压与参考电压的差值线性转换成电流。例如，在锁相环电路中的压控振荡器(VCO)通常会用到差分电压转电流电路。

差分电压转电流电路通过电压变化引起电流变化，再通过电流变化控制压控振荡器的频率输出。在设计时要求较宽的差值电压范围，以及很高的差分电压-电流转换线性度，同时输出电流也要尽量大以满足越来越高的锁相环频率要求。习惯上通过线性跨导放大器进行差分电压到电流的转换，但是线性跨导放大器一般线性输入范围较窄，以及存在转换线性度不理想的缺点。差分电压-电流转换线性度不高会导致压控振荡器的输出频率的线性度也变低，因而可能会导致整个锁相环的不稳定。

因此，设计一种容易实现、线性度高、转换速度快的用于将差分电压转换为电流的改进电路是非常有必要的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种差分电压转电流电路，该差分电压转电流电路具有较高的差分电压-电流转换线性度，尤其是差分电压很小情况下也能很好的保证转换线性度以及转换速度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种差分电压转电流电路，该电路包括：

第一电压跟随器，用于接收输入电压Vin1并缓冲；

第二电压跟随器，用于接收输入电压Vin2并缓冲；

第一V-I转换电阻单元，包括电阻R1，将电压转换成电流；

第二V-I转换电阻单元，包括电阻R2，将电压转换成电流；

第一电流镜单元，用于按比例复制来自第一电压跟随器的支路电流，产生第一输出电流；

第二电流镜单元，用于按比例复制来自第二电压跟随器的支路电流，产生第二输出电流；

第一、第二输出电流合并后形成电路输出电流。

在一种优选的方案中，

当输入电压Vin1较高时，所述第一电压跟随器包括第一折叠式FVF结构电压跟随器，所述第一折叠式FVF结构电压跟随器包括电流源I0、PMOS管M3、M5和NMOS管M7，输入电压Vin1接M3的栅极，M3的源极接M5的源极，M3的漏极通过电流源I0接地，M3的漏极接M7的栅极，M5的栅极接M5的漏极，M5的漏极接M7的漏极，M7的源极接地；

当输入电压Vin2较高时，所述第二电压跟随器包括第二折叠式FVF结构电压跟随器；所述第二折叠式FVF结构电压跟随器包括电流源I0、PMOS管M4、M6和NMOS管M8，输入电压Vin1接M4的栅极，M4的源极接M6的源极，M4的漏极通过电流源I0接地，M4的漏极接M8的栅极，M6的栅极接M6的漏极，M6的漏极接M8的漏极，M8的源极接地。

第一、二折叠式FVF结构电压跟随器输出阻抗很低、响应速度快，可以产生不随负载电流变化的输出电压。

在一种优选的方案中，当输入电压较低时，

所述第一电压跟随器还包括第一源极跟随器，所述第一源极跟随器包括电流源I1和PMOS管M1；输入电压Vin1接M1的栅极，M1的源极接M3的栅极，M1的漏极接地；电源电压通过电流源I1接M1的源极；

所述第二电压跟随器还包括第二源极跟随器，所述第二源极跟随器包括电流源I1和PMOS管M2；输入电压Vin1接M2的栅极，M2的源极接M4的栅极，M2的漏极接地；电源电压通过电流源I1接M2的源极。

电流源I1和M1或M2组成的源极跟随器将较低的输入电压抬高一个|V_GS|。

在一种优选的方案中，第一V-I转换电阻单元中电阻R1一端接第一电压跟随器中M3的源极，另一端接电源电压，将电压转换成电流；第二V-I转换电阻单元中电阻R2一端接第二电压跟随器中M4的源极，另一端接电源电压，将电压转换成电流。

在一种优选的方案中，所述第一电流镜单元包括NMOS管M13、M15，组成NMOS共源共栅电流镜，按比例复制第一电压跟随器中M7管的电流，作为第一输出电流；

所述第二电流镜单元包括NMOS管M13、M15，PMOS管M9、M10、M11、M12，M13、M15组成NMOS，M9、M10、M11、M12组成PMOS共源共栅电流镜，用于按比例复制第二电压跟随器中M8管的电流，作为第二输出电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用电阻作为电压电流转换结构，具有线性度高的特点，采用flipped voltage follower(FVF)结构作为输入级，能够探测较小的差分电压产生大的输出电流，响应速度快，精度高。本发明的差分电压转电流电路具有转换线性度高的特点，其能够探测较小的差分电压产生大的输出电流，响应速度快，精度高。

附图说明

图1是本发明差分电压转电流电路结构框图。

图2是传统的FVF结构原理图。

图3本发明所采用的折叠式FVF结构原理图。

图4为本发明差分电压转电流电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

本发明公开了一款差分电压-电流转换线性度高，能够探测较小的差分电压产生大的输出电流，响应速度快的差分电压转电流电路。

参照图1，图1是本发明差分电压转电流电路结构框图。该差分电压转电流电路包括第一电压跟随器101、第二电压跟随器201、第一V-I转换电阻单元102、第二V-I转换电阻单元二202、第一电流镜单元103、第二电流镜单元203。其中：

所述第一电压跟随器101、第二电压跟随器201，用于接收输入电压Vin1、Vin2并进行缓冲；

所述第一V-I转换电阻单元102、第二V-I转换电阻单元二202，用于将电压线性转换成电流；

所述第一电流镜单元103、第二电流镜单元203，用于按比例复制来自第一电压跟随器101、第二电压跟随器201的支路电流并产生第一、二输出电流，第一、第二输出电流合并后形成电路输出电流。

参照图2，是传统的FVF结构原理图，通过M2的电流被偏置为I₀，因此M2的栅源极电压差|V_GS2|也是固定的，V_i到V_o的小信号增益是1，并且独立于输出电流，它们的关系如式(1)所示：

V_o＝V_i+|V_GS2|                (1)

电路在M2管的漏极和M1管的栅极存在负反馈，能根据输出电流的变化来调节V_GS2，电路的输出电阻r_o ^FVF非常小，为：

${r_o}^{\mathrm{FVF}}=\frac{1}{g_{m2}{g}_{m1}{r}_{o1}}---\left(2\right)$

其中g_m和r_o分别是MOS管的跨导和输出电阻，因此在输出电流变化时，输出电压能维持稳定。

图3是本发明所采用的FVF结构原理图，这是一个折叠式的FVF结构，这种结构提高了输出电压摆幅。

参照图4，是本发明差分电压转电流电路原理图。所述第一电压跟随器101包括电流源I₁、I₀，PMOS管M1、M3、M5，NMOS管M7，其中电流源I₁和M1管组成源极跟随器，M1的栅源电压差|V_GS1|为定值，M3的栅极电压V_G3＝V_in1+|V_GS1|。电流源I₀和M3、M5、M7组成FVF结构的电压跟随器，该结构输出阻抗很低、响应速度快，可以产生不随负载电流变化的输出电压，尤其是在输入电压Vin1和输入电压Vin2差值较小时，电压也能很好的跟随，因而能保持较高的差分电压-电流转换线性度。通过M3的漏电流是恒定的，为偏置电流I₀，因此|V_GS3|也恒定，图中X点的电压为：

V_X＝V_G3+|V_GS3|＝V_in1+|V_GS1|+|V_GS3|         (3)

由上面的分析可知V_X非常稳定，不随流过X点的电流变化而变化。所述第二电压跟随器201包括电流源I₁、I₀，PMOS管M2、M4、M6，NMOS管M8，电路原理与第一电压跟随器101类似，因此也可以得到Y点电压为：

V_Y＝V_in2+|V_GS2|+|V_GS4|            (4)

由于M1和M2、M3和M4偏置电流分别相等，所以|V_GS1|＝|V_GS2|,|V_GS3|＝|V_GS4|，有：

V_X-V_Y＝V_in1-V_in2          (5)

所述第一V-I转换电阻单元102由电阻R1组成，R1一端接第一电压跟随器101的输出电压，另一端接电源电压，将电压线性转换成电流I_R1：

$I_{R1}=\frac{V_{\mathrm{DDA}}-V_X}{R1}\text{---}\left(6\right)$

第二V-I转换电阻单元二202由电阻R2组成，电路原理与第一V-I转换电阻单元102类似，有：

$I_{R2}=\frac{V_{\mathrm{DDA}}-V_Y}{R2}---\left(7\right)$

在这里，取R1＝R2＝R。由电路结构可知，I_R1是通过M3和M7的电流总和，而通过M3的电流为I₀，所以通过M7的电流I为：

I＝I_R1-I₀              (8)

类似地，通过M8的电流I′为：

I′＝I_R2-I₀             (9)

第一电流镜单元103包括NMOS管M13、M15，它们组成NMOS共源共栅电流镜，以提高输出阻抗，电流镜按比例K：1复制第一电压跟随器101中M7管的电流I，作为第一输出电流。

第二电流镜单元203包括NMOS管M13、M15，PMOS管M9、M10、M11、M12，它们分别组成NMOS和PMOS共源共栅电流镜，用于按比例K：1复制第二电压跟随器201中M8管的电流I′，作为第二输出电流。第一第二输出电流合并后形成电路输出电流I_out：

$I_{\mathrm{out}}=K(I^{\′}-I)=K\left(I_{R2}{I}_{R1}\right)=K\×\frac{V_X-V_Y}{R}=K\×\frac{V_{\mathrm{in}1}-V_{\mathrm{in}2}}{R}---\left(10\right)$

综上所述，本发明采用采用FVF结构作为输入级，电阻作为电压电流转换结构，共源共栅电流镜作为电流输出级。本发明差分电压转电流结构具有较高的转换线性度，尤其是在差分电压很小情况下也能很好的保证转换线性度以及转换速度。以上优点使得本发明适用于锁相环压控振荡器等电子电路中。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种差分电压转电流电路，其特征在于，该电路包括：

第一电压跟随器（101），用于接收输入电压Vin1并缓冲；

第二电压跟随器（201），用于接收输入电压Vin2并缓冲；

第一V-I转换电阻单元（102），包括电阻R1，将电压转换成电流；

第二V-I转换电阻单元（202），包括电阻R2，将电压转换成电流；

第一电流镜单元（103），用于按比例复制来自第一电压跟随器（101）的支路电流，产生第一输出电流；

第二电流镜单元（203），用于按比例复制来自第二电压跟随器（201）的支路电流，产生第二输出电流；

第一、第二输出电流合并后形成电路输出电流。

2.根据权利要求1所述的差分电压转电流电路，其特征在于，第一电压跟随器（101）包括第一折叠式FVF结构电压跟随器，所述第一折叠式FVF结构电压跟随器包括电流源I0、PMOS管M3、M5和NMOS管M7，输入电压Vin1接M3的栅极，M3的源极接M5的源极，M3的漏极通过电流源I0接地，M3的漏极接M7的栅极，M5的栅极接M5的漏极，M5的漏极接M7的漏极，M7的接地；

第二电压跟随器（201）包括第二折叠式FVF结构电压跟随器；所述第二折叠式FVF结构电压跟随器包括电流源I0、PMOS管M4、M6和NMOS管M8，输入电压Vin1接M4的栅极，M4的源极接M6的源极，M4的漏极通过电流源I0接地，M4的漏极接M8的栅极，M6的栅极接M6的漏极，M6的漏极接M8的漏极，M8的接地。

3.根据权利要求2所述的差分电压转电流电路，其特征在于，所述第一电压跟随器（101）还包括第一源极跟随器，所述第一源极跟随器包括电流源I1和PMOS管M1；输入电压Vin1接M1的栅极，M1的源极接M3的栅极，M1的漏极接地；电源电压通过电流源I1接M1的源极；

所述第二电压跟随器（201）还包括第二源极跟随器，所述第二源极跟随器包括电流源I1和PMOS管M2；输入电压Vin1接M2的栅极，M2的源极接M4的栅极，M2的漏极接地；电源电压通过电流源I1接M2的源极。

4.根据权利要求3所述的差分电压转电流电路，其特征在于，第一V-I转换电阻单元（102）中电阻R1一端接第一电压跟随器（101）中M3的源极，另一端接电源电压，将电压转换成电流；第二V-I转换电阻单元（202）中电阻R2一端接第二电压跟随器（201）中M4的源极，另一端接电源电压，将电压转换成电流。

5.根据权利要求4所述的差分电压转电流电路，其特征在于，

所述第一电流镜单元（103）包括NMOS管M13、M15，组成NMOS共源共栅电流镜，按比例复制第一电压跟随器（101）中M7管的电流，作为第一输出电流；

所述第二电流镜单元（203）包括NMOS管M13、M15，PMOS管M9、M10、M11、M12，M13、M15组成NMOS，M9、M10、M11、M12组成PMOS共源共栅电流镜，用于按比例复制第二电压跟随器（201）中M8管的电流，作为第二输出电流。